美国复合材料大重型军用运输机的发展

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美国复合材料大重型军用运输机的发展

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0 y8 H1 O' R# Z- C1 r- {! T, y& y, w来源：复材在线

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John Russell博士的报告表示，高级复材货运飞机项目一次飞行的成功完成，复合材料技术可对飞机未来的发展产生整体影响。

$ Z- G. g$ K" x) I3 e: W" b( a虽然美国国防部发起的“低成本复合材料计划”（简称CAI）①证实在制造大型、综合的航空航天结构复合材料是成功的，但是在军事系统中，未能达到广泛应用。迄今为止，CAI项目中，唯一被用于飞机上的“硬件”只有C-17运输机主起落架舱门②。CAI小组一致同意，应在此基础上大利发展相关研究项目，以增加军用航天领域对他们的信心。

2006年，CAI团队赢得了一次发展军用飞机合作的机会。时任美国空军秘书长的Michael Wynn被委派至空军研究实验室（AFRL），为如何利用有限的资金（不足1亿美元），建立一个完整复合材料军用运输机可行性的问题上提供发展建议。当时规定，在签订合约的18个月之内，确保飞机成功首飞。

; s, s/ q9 z2 v% p, s4 `7 o+ X我曾经带领过AFRL的CAI团队，看到了这个项目带给这个团队巨大的发展机遇：不但能够充分展示高级复合材料先进的设计理念，而且能够证明复合材料能够有效降低成本和缩短工时。这两点在先进的作战方案中是必不可少的因素。

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0 B% I, M+ P& W. d% O2 ~4 WAFRL20年中首架原型机X-55A

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接下来，AFRL资助针对波音，洛克希德马丁和诺斯罗普格鲁门进行可行性研究。AFRL在2007年1月发布了“广泛机构公告（BAA）”，要求提案先进复合材料运输机（ACCA）项目。BAA向投标方提出“用有限的资金完成该项目”，因为招标方只提供有限的资金5千万美元；“快速的完成该项目”，因为飞机被要求在2008年10月实现首飞；第三是要求使用先前成功或类似的CAI复合材料技术进行生产。站在联邦航空局（FAA）③的角度考虑，这个飞机项目将不仅仅是一个简单的订购行为，而是一个真正的概念演示。将长久以来复合材料应用于运输机的理念变为现实。C-130运输机④，是将设计理念和运载能力与军事用途最佳结合在一起，包括：
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5 P8 Q3 L2 T9 a7 ]; z2 G1、能作高空、高速远程飞行。至少740公里/小时的巡航速度。

% P8 Q( b2 a+ Q0 B2 C! U$ g2、具备中空、中速飞行和近距离运输能力，可在前线强行着陆并能在野战跑道上起落。
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3、改型多样，用途广泛。C-130型可按需要运送或空降人员以及空投货物，返航时可从战场撤离伤员。经过改型后，还可用于高空测绘、气象探测、搜索救援、森林灭火、空中加油和无人驾驶飞机的发射与引导等多种任务。

AFRL收到了ACCA的九项极具美国航空业代表性的提案。在这九项提案中，AFRL采纳了七项，剩下的两项分别被Aurora Flight Sciences公司和洛克希德马丁公司选用。接下来需要他们提交一份第一阶段的详细计划，飞机将受到新型复合材料机身和尾部组建，以便满足大型货物运输需求。Aurora Flight Sciences公司提议安托諾夫An-72运输机⑥可装备新型复合材料机身，机翼和尾翼。洛克希德马丁公司建议多尼尔Do-328J运输机⑦ 重新装配复合材料机身和尾翼。虽然在当时这两个概念都被认为是可行的，但是显然后者的风险更小。因此，洛克希德马丁公司被授权进行第二阶段的制造、装配工作。并于2008年9月30号进行飞行演示工作。
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AFRL 对发动机电子设备等进行改进

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7 u$ w: }) H! l+ q& i  d# hAntonov An-72

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Antonov An-72

洛克希德马丁公司随后对多尼尔运输机进行了拆解工作，针对ACCA项目，对多尼尔的驾驶舱，飞行控制器，发动机，子系统和许许多多其它重要的组件进行了重新开发利用。飞机被进行了重新设计，全复合材料机身；复合材料垂尾；复合材料货物装卸舱门；坚固的主起落架和舱门。
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* a4 l# v; T3 e* s: `3 z# Z; v# D! ~先进复合材料集团提出了机身19.8米的上下蒙皮部分采用了“三明治”夹芯设计理念，并提供无需高压釜处理工艺碳/环氧预浸料。先进复合材料集团采用了Janicki工业公司提供的低成本、短时间制备的复合材料模具生产该原料。其固化温度为177°C。机身蒙皮芯材由Hexcel公司提供，非金属HRH-10型夹芯产品。这些大型、综合性的部件是迄今为止对MTM-45-1型材料最大规模的应用。玻璃纤维隔层被放置在碳纤维复合材料部件和铝合金部件之间，防止接触腐蚀。上下部分的机身连接处采用了Cytec Engineered Materials 公司生产的FM-300型胶黏剂，然后再进行固化程序。与传统金属机身相比，应用这种机身制造方法，只采用的十分之一零件的数量和减少了98%紧固件的使用。
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+ i9 a/ j8 V* G美国C-17军用运输机内部

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3.8米长的垂尾采用了Hexcel公司生产的IM7/977-3复合材料预浸带。垂尾蒙皮在高压釜内预硫化，同时框架和桁条也被预硫化处理后，将这些部件组装到一起。

7 ]. N4 b& y1 H阶段二共计花费了10个月的时间完成了新型机身和垂尾的研发、制造工作。这种快速制造和装配程序得益于OOA复合材料和CAI对大型、综合结构的设计理念。减少了在设计，规划，制造，校准，采购等等工序上的劳动时间。另外，由于减少了90%零部件应用，大大节省了生产和安装的时间，包括减少了钻孔安装紧固件的工序。
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  {9 O6 }3 M, A- h; yC-130“大力神”中型战术运输机

机身装配工作完成后，2008年12月份完成了机身结构测试。测试结果与先期估算的完全一致。2009年5月，ACCA的首架飞机（X-55A的前身）成功飞向空中，虽然比计划时间晚了9个月，使计划单面临新的挑战，但是，对于技术上的目标却全部实现了：大型综合复合材料结构的确能够满足军事用途的目标。同时，不但飞机的大小与C-130接近，而且造价也与政府投入的5千万美元相差无几。

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(续1楼)

总之，该计划确实证明了复合材料技术对于飞机未来发展的整体影响。
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: H7 h1 j5 i6 Q. ?随着ACCA第二阶段的圆满完成，AFRL计划用X-55A作为另一项高回报技术的测试机。接下来的第三阶段，洛克希德马丁公司将进行更多的结构性测试和飞行测试，同时引进更多生产设备。X-55A将成为一个实现AFRL复合材料理念的宝贵的测试原型机，同时能够成为远程攻击运输机理念的开拓者。ACCA展示出的复合材料技术不但能够应用与未来军事用途飞机，而且被NASA更强大的重型货物战神V运载火箭⑧应用。
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7 T5 b. n( W9 ^① 低成本复合材料计划：Composites Affordability Initiative 简称：CAI 复合材料在飞机结构上扩大应用的主要障碍是成本较高，特别是制造成本较高。有鉴于此，以美国为首的西方发达国家纷纷制订了低成本复合材料计划，复合材料的低成本化已形成了当今世界上复合材料技术发展研究的核心问题。美国国防部联合NASA、FAA和工业界共同发起并制订了CAI（CompositeAffordability Initiative）计划，即低成本复合材料计划。
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该计划自1996～2007年共分4个阶段执行，已于2007年结束，正在作总结，认为取得了巨大的成功。CAI的目标是要降低成本50%，其核心是要共同努力创造一个设计/制造上示范性的转变，最终降低复合材料单位质量的成本数。低成本复合材料技术包括了低成本的设计技术、低成本的制造技术和低成本的材料技术，核心是低成本的制造技术。为此美国早于上世纪70年代中期即着手发展了以自动铺放技术，包括自动铺带技术（ATL）和自动纤维铺放技术（AFP）为核心的自动化制造技术。
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② C-17运输机主起落架复合材料舱门：AFRL（美国空军实验室）和波音公司在“复合材料成本可承受的创新C-17”技术转移演示项目中．开发出一种长寿命的C-17主起落架（MLG）复合材料舱门，其具有穿刺编织预成型件和真空辅助树脂浸渍成型的工艺特点，并改进了整体设计外形。
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8 C4 r% q, S2 ~! r1 i0 m5 o. X8 n" B美国C-17运输机C-17是美国20世纪80年代提出的八大新技术军机计划之一。这八大军机是：A-12（ATA）先进技术攻击机，B-2隐形战略轰炸机，C-17（C-X）战略战术运输机，E-8（JTIDS）空中联合指挥系统，F-22（ATF）先进技术战斗机，RAH-66（ATH，后更名LHX）隐形武装直升机，V-22（JVX）倾转旋翼飞机和海军先进战斗机（NATF）计划，其中的六项最终得以完成，ATA和NATF合并成为JSF项目继续进行。

, o( r+ T3 _# N" V! o8 `8 `发展C-17的时间是美国迄今为止历时最久的飞机研制计划，从1981年麦道公司赢得发展合约到1995年完成全部的飞行测试，一共耗时14年；在发展经费方面，它是美国有史以来耗资第三大的军机，排前两位的是B-2隐形轰炸机和E-3空中预警机。

③ 联邦航空局（FAA）。FAA 是美国政府的一个部门，主要负责民用航空领域的安全。FAA 根据 1958 年联邦航空法案成立，最初被定名为联邦航空部。1967 年，FAA 成为交通部的一个机构，那时才开始使用现在的名称。FAA 有以下主要职能：

! b( N. R2 n! s9 z; H3 G·管理民用航空，提高安全，执行国家防卫要求。
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2 M' c+ u: \0 U% k2 e8 Y·鼓励和发展民用航空，包括新型航空技术。
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! h% }/ v, X( m, ?·开发和运行适用于民用飞机和军用飞机的公共的航空交通管制和导航体系。

·国家航天体系和民用航空的研究与开发。

( Y4 `7 x' H' s2 p·研究并实施项目，控制飞机噪音以及民用航空对环境的其它影响。

·管理美国商用航空运输。
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④ 美国C-130运输机，是美国50年代研制的4发中型多用途战术运输机。1951年开始研制，1954年8月首飞，1956年12月装备美空军。该机有多种改型，除美空军中装备数量较多外，还出口到50多个国家和地区。截止1993年，美国空军共购买1050架。出口的C-130H/L-100-20/30等型共计514架。台湾军队也引进了该型机中的C-130H型。

* ~+ n: z) G, [* |4 z" C⑥ 安托诺夫An-72（Antonov An-72）是一架由前苏联安托诺夫设计局设计生产的运输机，北约代号为“煤矿人(Coaler)”，是用作代替An-24，作短距离起降(STOL)的喷射机版本。An-74是An-72的衍生型，专门发展在极地使用。其他An-72的衍生型还有An-72S重要人员运输机，与及72P海上巡逻机。

An-72的最大特点是它的发动机放置于机翼之上，吹出的气流在机翼上表面流过，利用附壁作用，产生大量额外升力，改善短距离起降的能力；同时亦减少发动机吸入地面碎片的可能。An-72的外型设计与之前的波音实验性飞机YC-14颇为类似。
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  K  q' S# {, h( T) y/ m⑦ Dornier系列飞机最初由德国多尼尔公司研制生产,多尼尔公司(或译为道尼尔)创建于1922年，当时名为齐伯林(Zeppelin)公司,为家族企业。多尼尔公司始终保持了独立经营的状况直到1985年,1985年因家族矛盾被戴姆勒•奔驰股份公司乘机购买了多尼尔公司大部分股份，结束了几十年独立经营的状况。随后在1985～1996年间，为了加强德国航空工业在国际上的竞争力，德国对其航空工业进行了很大的调整。在支线飞机方面，完全放弃了成为欧洲支线飞机研制的领导地位的战略，1996年由于戴姆勒•奔驰宇航公司旗下荷兰福克公司亏损严重，决定停止向福克公司注入资金。1996年3月15日，福克公司宣布破产。1996年6月，戴姆勒•奔驰宇航公司(DASA)又将其多尼尔航空有限公司80%的股份出售给美国的费尔柴尔德飞机公司，成为目前的美国仙童-多尼尔公司(或译为费尔柴尔德-多尼尔公司）。负责Dornier系列飞机的研制生产经营。
" a" ^) }* R1 c2 j4 o* {4 A6 O
& T0 Q# b3 k% }3 _* c% P! n8 K⑧ 战神五号运载火箭(原称为货物运载火箭或称CaLV),是星座计划中的货物运载火箭，战神五号运载火箭将在NASA计划的重返月球运载牵牛星号登月舱和地球出发级。重返月球计划由战神一号运载火箭运载猎户座号太空船与战神五号运载其它舱组结合在一起飞向月球。战神五号运载火箭的酬载能力是287,000磅(130.18公吨)到低地球轨道,或者143,300磅(65公吨)到月球轨道。战神系列运载火箭的战神是由希腊神话命名而来。(end)